伊拉克庫爾德A油田原油注氮欠平衡鉆井技術(shù)

胡清富，謝春來，田玉棟，王煥文，甘建國，林 輝

（1.中國石油集團大慶鉆探工程公司國際事業(yè)部，黑龍江大慶163458；2.中國石油集團大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163458；3.中國石油集團大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江大慶163458）

伊拉克庫爾德A油田位于ZagrosMountain山前地帶的褶皺和斷層區(qū)，碳酸鹽巖儲層裂縫發(fā)育，鉆井過程中漏失嚴重，井下復(fù)雜情況頻發(fā)，嚴重影響了鉆井速度，且造成了一定的儲層傷害，導(dǎo)致單井產(chǎn)量和原油采收率不高。欠平衡鉆井技術(shù)是20世紀90年代國際上開始研究應(yīng)用并迅速發(fā)展的一項鉆井技術(shù)，早期所用的循環(huán)介質(zhì)為空氣，后來相繼發(fā)展了循環(huán)介質(zhì)為氮氣、天然氣、泡沫或低密度鉆井液的欠平衡鉆井技術(shù)[1–2]，在低壓、低滲透、低壓易漏、裂縫性油氣藏及衰竭油氣藏開發(fā)中具有其他鉆井技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢[3–11]。目前，充氣欠平衡鉆井技術(shù)已在加拿大、美國等國家得到廣泛應(yīng)用，并越來越多地與水平井、分支井及小井眼鉆井技術(shù)相結(jié)合[1]。我國欠平衡鉆井技術(shù)研究雖然起步晚，但經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)與實踐，技術(shù)水平已基本達到國外先進水平，并在各油田得到廣泛應(yīng)用。

為此，針對A油田地層壓力低、鉆井安全密度窗口窄、溢漏同存的現(xiàn)狀，應(yīng)用了以原油為鉆井液，環(huán)空注氮氣（非全井）的欠平衡鉆井新技術(shù),通過調(diào)節(jié)氣液比和井口控壓將井底當量循環(huán)密度（ECD）控制在安全密度窗口內(nèi)，既可以抑制地層油水大量溢出，又可防止井漏，還能實現(xiàn)邊鉆井邊采油，從而解決易漏失裂縫性儲層及低壓枯竭儲層的安全鉆井難題[7–11]。同時，環(huán)空注入的氮氣只參與上部井眼內(nèi)鉆井液的循環(huán)，避免了氮氣對井下工具儀器穩(wěn)定性的影響，減小了對MWD儀器接收信號的干擾，克服了早期欠平衡鉆井技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用時受制約的問題。目前，原油注氮欠平衡鉆井技術(shù)在A油田6口水平井進行了應(yīng)用，與應(yīng)用常規(guī)鉆井技術(shù)的水平井相比，單井產(chǎn)量增加了1～3倍，平均機械鉆速提高了61.6%，縮短了鉆井周期，取得了較好的經(jīng)濟效益。

1 A油田概況

庫爾德A油田自2005年開始開發(fā)，主力產(chǎn)層Bekhme層的地層壓力逐年降低，開采過程中水侵嚴重，其中部分井投產(chǎn)后含水率達到80%以上，原油采收率和原油產(chǎn)量逐年降低，嚴重影響了油田的開發(fā)效益。

該油田地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，油藏埋深2 200～2 300 m，自上而下鉆遇Fars層、Jeribe層、Dhiban層、Euphrates層、Pila SPI層、Gercus層、Khurmala層、Kolosh層、Shiranish層和Bekhme層，巖性主要有泥巖、石膏巖、白云巖、泥灰?guī)r、頁巖和石灰?guī)r。在鉆進砂巖、泥巖和頁巖地層時，容易發(fā)生井壁剝落掉塊、井塌和卡鉆等井下故障；儲層Bekhme層巖性為石灰?guī)r和泥灰質(zhì)石灰?guī)r，地層壓力當量密度為0.92 kg/L，設(shè)計鉆井液密度一般為0.887 kg/L，鉆井過程中易發(fā)生井漏、溢流等井下復(fù)雜情況。

該油田水平井井深約3 000m，設(shè)計采用五級井身結(jié)構(gòu)：一開，?660.4mm鉆頭鉆至井深350m，下入?508.0mm套管；二開，?444.5mm鉆頭鉆至井深1 400m，下入?339.7mm套管；三開，?311.1mm鉆頭鉆至井深2 050 m，下入?244.5 mm套管；四開，?215.9mm鉆頭鉆至井深2250m，下入?177.8mm尾管固井（尾管串上部連接1根?177.8mm篩管）并回接至井口；五開，?152.4mm鉆頭鉆至設(shè)計井深，下入?114.3mm尾管完井，該井段設(shè)計應(yīng)用原油注氮欠平衡鉆井技術(shù)。

2 原油注氮欠平衡鉆井關(guān)鍵技術(shù)

2.1 工藝原理

傳統(tǒng)的氮氣欠平衡鉆井是將氮氣通過地面設(shè)備連續(xù)不斷地注入鉆井液中，使其充分分散于鉆井液體系中形成連續(xù)的氣液混合相，從而使井底鉆井液液柱壓力低于地層壓力，實現(xiàn)欠平衡鉆進，達到防止井漏的目的[9]，即氮氣參與整個鉆井液循環(huán)流程。原油注氮欠平衡鉆井則改變了傳統(tǒng)的充氣方式，氮氣由套管頭側(cè)出口注入井眼，隨井眼內(nèi)鉆井液直接返至井口，即氮氣只參與鉆井液的部分循環(huán)，其循環(huán)流程如圖1所示。?177.8 mm尾管固井之后，回接套管至井口坐掛（回接管串下部為長8m的?177.8mm篩管），在井口套管頭側(cè)閥門向?244.5mm套管與?177.8 mm套管間的環(huán)空注入氮氣，經(jīng)?177.8 mm篩管進入井眼，篩管位置與水平段著陸點垂深大約相距300m，隨井眼流體直接返至井口，即氮氣只存在于?177.8mm篩管以上?177.8mm回接套管內(nèi)外空間（如圖1所示），只參與上部井眼內(nèi)鉆井液的循環(huán)，通過降低上部井眼鉆井液液柱壓力，來降低井底鉆井液液柱壓力，實現(xiàn)欠平衡鉆進，且不影響井下MWD的測量和傳輸。

圖1 原油注氮氣循環(huán)系統(tǒng)示意Fig.1 Circulation system of nitrogen injection into crude oil

2.2 關(guān)鍵設(shè)備

原油注氮欠平衡鉆井所使用的旋轉(zhuǎn)防噴器、制氮注氮等設(shè)備，與常規(guī)氣體欠平衡鉆井所使用設(shè)備基本一致[10–11]，主要區(qū)別在于返出井口鉆井液的分離處理系統(tǒng)和井下數(shù)據(jù)測量傳輸系統(tǒng)。

分離處理系統(tǒng)包括四相分離器、離心機組和儲油罐3部分[11–12]。井內(nèi)參與循環(huán)的原油和氮氣循環(huán)返出至旋轉(zhuǎn)防噴器（RCD）中，通過RCD側(cè)面連接的主返出管線進入地面節(jié)流管匯，然后進入四相分離器中。四相分離器利用密度差原理將其中的油、氣、水和巖屑進行初步分離，分離后的原油通過地面管匯進入循環(huán)罐內(nèi)。在保證循環(huán)罐內(nèi)的原油體積滿足鉆進需求的前提下，多余的原油從循環(huán)罐輸送至離心機組經(jīng)過二次分離過濾處理，然后輸送至儲油罐儲存，定期送至聯(lián)合站進行加工利用；分離出來的硫化氫等可燃氣體直接通過燃燒管線點火處理。離心機組通過轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強大離心力來實現(xiàn)出井原油的二次分離，從而進一步降低注入井內(nèi)原油中的固相含量。

井下數(shù)據(jù)測量傳輸系統(tǒng)包括IMPulse隨鉆測量儀器（IMPulseMWD）和井下壓力檢測系統(tǒng)（verified pressure whiled rilling，V P W D）2部分。IMPulseMWD由隨鉆測量工具（MWD）和電阻率單元（Vision475系統(tǒng)）構(gòu)成，可以為地質(zhì)人員提供井斜、方位和電阻率等數(shù)據(jù)，起到地質(zhì)導(dǎo)向的作用，有利于發(fā)現(xiàn)油藏[13]；VPWD能夠及時準確監(jiān)測井底當量循環(huán)密度（ECD）和當量鉆井液密度（EMW）等參數(shù)的變化情況，實時控制氮氣注入排量，調(diào)節(jié)欠平衡鉆進時的欠壓值。

2.3 氮氣注入排量的確定

在鉆井液排量確定的情況下，選擇合理的氮氣注入排量對于欠平衡安全鉆進至關(guān)重要。在井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合、井眼軌跡等其他參數(shù)一定的情況下，存在一個最佳的氮氣注入排量，既能滿足井底壓力的要求，又能夠滿足鉆井液攜巖的需要。為此，建立了井下ECD計算模型，根據(jù)VPWD實測井下壓力和欠壓值，可以計算出氮氣注入排量。

充氣欠平衡鉆井壓力控制方程為[6]：式中：Δp為欠壓值，M Pa；pp為地層壓力，M Pa；pbh為井底壓力，MPa。

在鉆桿外環(huán)空，pbh與鉆井液排量、氮氣注入排量存在函數(shù)關(guān)系：

把式（2）代入式（1），可以得到：

根據(jù)式（3），欠壓值與鉆井液排量和氮氣注入排量存在函數(shù)關(guān)系，由于鉆井液排量需要滿足攜砂要求而相對固定，因此欠壓值主要與氮氣注入排量有關(guān)，可以初步設(shè)定井口回壓的欠壓值，通過監(jiān)測的井底壓力值，計算出氮氣注入排量。

現(xiàn)場施工過程中，在原油密度、鉆井液排量、地層壓力確定的情況下，監(jiān)測套壓和節(jié)流壓力，利用相關(guān)軟件計算設(shè)定欠壓值條件下的氮氣注入排量[14–15]，根據(jù)VPWD準確監(jiān)測井底壓力，對氮氣注入排量和井口回壓進行調(diào)整，實現(xiàn)設(shè)定欠壓值情況下的欠平衡鉆進，達到邊鉆進邊生產(chǎn)的目的。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

截至目前，A油田共有6口水平井應(yīng)用了原油注氮欠平衡鉆井技術(shù)，均順利鉆至設(shè)計井深，未發(fā)生井漏、井涌和井眼失穩(wěn)等井下故障，與未應(yīng)用該技術(shù)的水平井相比，機械鉆速明顯提高，單井產(chǎn)量提高了1～3倍，取得了良好的提速提產(chǎn)效果，具有較好的經(jīng)濟效益。

3.1 應(yīng)用效果

1）機械鉆速顯著提高。A油田12口井?152.4 mm井眼機械鉆速統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。由表1可見，應(yīng)用原油注氮欠平衡鉆井技術(shù)的6口井，?152.4mm井段的平均機械鉆速9.60 m/h，與應(yīng)用常規(guī)鉆井技術(shù)的6口井相比提高了61.6%，鉆井提速效果顯著。

表1 A油田12口井?152.4mm井眼機械鉆速統(tǒng)計結(jié)果Tab le 1 ROP statistics from?152.4mm holes of 12 wells in Oilfield A

2）單井產(chǎn)量顯著提高。目前，應(yīng)用原油欠平衡鉆井技術(shù)的6口水平井中，有5口井已經(jīng)投產(chǎn)（T-49井、T-52井、T-54井、T-55井和T-56井），在主動控制產(chǎn)量的情況下，總產(chǎn)量超過12 000桶/d，平均每口井2 400桶/d，與采用常規(guī)鉆井技術(shù)的T-48井（產(chǎn)量為1 200桶/d）相比，產(chǎn)量提高了1倍。這表明，原油注氮欠平衡鉆井技術(shù)能夠充分保護油層、提高油井產(chǎn)量。

3）產(chǎn)出液含水率下降明顯。據(jù)統(tǒng)計，A油田應(yīng)用常規(guī)鉆井技術(shù)的油井，開采半年左右時就會因地層出水使產(chǎn)出液的含水率達到25%以上，嚴重影響了A油田的產(chǎn)量。該油田應(yīng)用原油注氮欠平衡鉆井技術(shù)的5口油井與應(yīng)用常規(guī)鉆井技術(shù)的4口油井的產(chǎn)出液含水率統(tǒng)計結(jié)果見表2。從表2可以看出，應(yīng)用原油注氮欠平衡鉆井技術(shù)的5口油井產(chǎn)出液平均含水率為2.55%，而應(yīng)用常規(guī)鉆井技術(shù)的4口油井產(chǎn)出液平均含水率為89.00%，含水率下降幅度巨大。分析認為，應(yīng)用常規(guī)鉆井技術(shù)的油井，在井壁上形成的濾餅和侵入帶對儲層造成了一定程度的污染，開采過程中由于原油的界面張力大于水，水的流動性大于油，因此儲層中的水更易于流入井筒，導(dǎo)致產(chǎn)出液的含水率逐漸上升，油井產(chǎn)量不斷降低。而應(yīng)用原油注氮欠平衡鉆井技術(shù)的油井，原油有效保護了儲層，減小了儲層中原油的流動阻力，原油更容易流出，從而提高了原油產(chǎn)量，降低了產(chǎn)出液的含水率。

表2 A油田9口井產(chǎn)出液含水率統(tǒng)計結(jié)果Tab le 2 Statisticsof water cut from 9 wells in Oilfield A

3.2 典型井例

T-56井是A油田的一口開發(fā)水平井，設(shè)計井深2 460 m，采用五開井身結(jié)構(gòu)，五開?152.4 mm井眼自井深2 050m開始采用原油注氮欠平衡鉆井技術(shù)鉆進。該井應(yīng)用的原油密度為0.89 kg/L，根據(jù)設(shè)計欠壓值的要求，按照原油排量0.57m3/m in確定了合理的氮氣注入排量，結(jié)果見表3。由表3可見，原油注氮欠平衡體系穩(wěn)定后，井下環(huán)空循環(huán)當量密度保持在0.78～0.82 kg/L，地層壓力當量密度為0.92 kg/L，達到了欠平衡鉆進的要求。

表3 A油田T-56井不同欠壓值下的氮氣注入排量Tab le 3 Nitrogen in jection rate intoW ell T-56 in Oilfield A under different underp ressure

該井鉆至井深2 077m時監(jiān)測到油流，并點火成功，然后順利鉆至井深2 450m完鉆，平均機械鉆速10.86m/h，最高機械鉆速超過21.00m/h。該井儲層鉆進期間平均原油產(chǎn)量667.8m3/d，實現(xiàn)了邊鉆進邊生產(chǎn)的目的，且較常規(guī)井產(chǎn)油量提高3倍以上。

4 結(jié)論與建議

1）原油注氮欠平衡鉆井技術(shù)實現(xiàn)了在環(huán)空內(nèi)注入氮氣，氮氣只參與上部井眼內(nèi)鉆井液的循環(huán)，并不循環(huán)至井底，在滿足欠平衡鉆進要求的同時，能避免氮氣對鉆井液脈沖隨鉆測量工具接收、傳輸信號的影響。

2）原油注氮欠平衡鉆井時，因為循環(huán)介質(zhì)為原油，所以對儲層的損害程度很低，在充分保護儲層的同時，邊鉆進邊生產(chǎn)，能夠在未完鉆的情況下實現(xiàn)油井提前生產(chǎn)，有利于縮短投入成本的回收周期。

3）A油田6口井的現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，原油注氮欠平衡鉆井技術(shù)在提高鉆井速度、提高單井產(chǎn)量和降低產(chǎn)出液含水率方面效果顯著。

4）建議通過計算油層不同井深條件下所產(chǎn)出的原油量，開展優(yōu)質(zhì)儲層優(yōu)選研究，為全面提升油藏采收率、提高勘探開發(fā)效益奠定基礎(chǔ)。